Elétrodos em PCI

Como referido na secção anterior, referente às simulações MEF, destacaram-se quatro elétrodos nos testes de sensibilidade aplicados aos mesmos. Desta forma, desenhou-se, em placa de circuito impresso (PCI), o elétrodo interdigital e coaxial que mais se destacaram. Estes encontram-se representados na Figura 5.18, respetivamente, pelas letras [A] e [B].

Figura 5.18: Elétrodo coaxial [B] e interdigital [A] desenhados para PCI. Estes foram aqueles que obtiveram melhores resultados nas simulações.

Finalmente, salienta-se que os elétrodos ainda não foram produzidos e consequente- mente não foram testados. Esta componente fará parte de trabalho futuro.

5.3.3 Programa de aquisição

Quanto ao software desenvolvido, este corresponde a um apêndice para a placa de testes. Neste implementara-se um conjunto de funcionalidades cujo objetivo é facilitar a aquisição de dados em tempo real pela mesma. Este programa pode ser instalado em qualquer com- putador dispensando quaisquer pacotes adicionais. No Anexo III encontra-se representado o software.

No que se refere às funcionalidades implementadas, destas destacam-se a deteção automática da placa Arduino, controlo e gestão gráfico da porta serial e ainda extração

5 . 3 . I N S T RU M E N TAÇ ÃO PA R A M E D I Ç ÃO D E C A PAC I TÂ N C I A

de dados para ficheiros CSV. Para além disso, a comunicação pode ser interrompida a qualquer momento, podendo o utilizador selecionar intervalos específicos do sinal.

Finalmente, importa analisar a forma como o microcontrolador comunica com a inter- face. Para isto, utilizou-se a biblioteca desenvolvida porBlanchon [108] de serialização de

JavaScript object notation (JSON) para C++. Desta forma, a cada aquisição a capacitân-

cia, temperatura e humidade são convertidas para um objeto JSON que é serializado e enviado por USB. Por fim, já no lado do JS é des-serializado, convertido para um vetor e apresentado nos gráficos.

C a p í t u l o

6

C o n c l u s ã o

O presente capítulo enuncia e sumariza todo o trabalho desenvolvido nesta dissertação. Para além disso, apresentam-se também algumas considerações que podem ser aplicadas no futuro para melhorar tanto as simulações realizadas como a eletrónica e o programa desenvolvido para aquisição de capacitância, temperatura e humidade.

6.1

Sumário da tese

O presente estudo constitui-se como um primeiro passo no desenvolvimento de um dis- positivo capaz de detetar precocemente a formação de úlceras de pressão (UP). Vários estudos indicam que o processo ulcerativo está diretamente relacionado com variações na humidade subepidérmica da pele (HSP) [49] que se manifestam, eletricamente, nas pro- priedades dielétricas da mesma. Posto isto, com recurso ao método dos elementos finitos (MEF), investigou-se quais os melhores sensores capacitivos para detetar estas variações e consequentemente antecipar o processo ulcerativo. Estes, futuramente, poderão integrar uma solução que com base nos inputs dos sensores desenvolvidos previne o processo ul- cerativo, através de mecanismos pneumáticos ou hidráulicos que aliviam zonas de maior pressão. Finalmente, desenhou-se em placas de circuito impresso (PCI), tanto uma placa de testes como os elétrodos que melhor resultado apresentaram nas simulações. Estas duas componentes permitirão validar os resultados teóricos experimentalmente. Para além disso, para complementar a eletrónica, desenvolveu-se um programa para aquisição dos dados da placa de testes em tempo real.

O parágrafo anterior sumariza, de um modo geral, a presente dissertação. De seguida, apresentam-se as considerações mais relevantes de cada capítulo da mesma.

São inúmeros os dispositivos desenvolvidos até ao momento para diagnostico ou prevenção de UP. Nos primeiros enquadram-se dois tipos de dispositivos: os baseados em fatores de risco (FR) e os que avaliam diretamente o estado fisiológico da pele. Os baseados em FR inferem a suscetibilidade do paciente desenvolver este problema consoante a sua exposição aos principais FR, tais como pressão, forças de tração, humidade, temperatura e estado de imobilização do individuo. Nos dispositivos que avaliam o estado fisiológico da pele enquadram-se ultrassons, ressonância magnética e sensores capacitivos. Por outro lado, nos dispositivos de prevenção inserem-se colchões, ou qualquer outra superfície de apoio capaz de aliviar de forma direta ou indireta a pressão excessiva e prolongada exercida sobre o paciente.

Apesar da evolução significativa dos dispositivos de diagnóstico e prevenção de UP, es- tas continuam a ser um problema bastante comum no seio da comunidade hospitalar. Não existe nenhum dispositivo capaz de, simultaneamente, prevenir e diagnosticar o processo ulcerativo através de análise direta do estado fisiológico da pele. Esta fator representa a janela de oportunidade da presente dissertação.

Capítulo 4- Materiais e métodos

Neste capítulo explora-se a componente de deteção de UP. Recorrendo a desenho assistido por computador (DAC), desenvolveu-se um modelo tridimensional da pele e elétrodos capacitivos para o cálculo da capacitância da mesma, através do MEF. Os elétrodos cor- respondem a duas geometrias distintas, coaxiais e interdigitais. Sabendo que o processo ulcerativo se inicia nos últimos estratos da epiderme e na derme, com variações na quanti- dade de água destas camadas, realizaram-se três testes com a finalidade de identificar quais os melhores elétrodos para detetar UP: um teste de sensibilidade à variação do raio dos vasos sanguíneos, efeito da rugosidade da pele nas medições de capacitância e desempenho dos elétrodos na deteção de UP, que se formam junto ao tecido subcutâneo.

Finalmente, aborda-se alguns aspetos importantes relativos ao desenvolvimento do circuito condicionador, para medição de capacitância, e dos elétrodos, ambos desenhados projetados em placas de circuito impresso (PCI). Para além disso, explica-se também a arquitetura do programa desenvolvido para aquisição de capacitância, temperatura e humidade. Este comunica com um microcontrolador por porta de série.

Capítulo 5 - Análise de resultados

Neste capítulo valida-se o modelo da pele com um condensador de placas paralelas, ambos com o mesmo princípio de funcionamento. Através do MEF determinou-se a capacitância do condensador, 4.24 × 10−12F , que difere em 19.5% do valor teórico, calculado analiti-

camente. Esta diferença deve-se ao efeito das bordas de condensador na propagação do campo elétrico,

No que se refere ao cálculo da capacitância no modelo da pele, fez-se um estudo de convergência da solução. Mostrou-se também a influência do número de elementos que constituem a malha no cálculo da variável dependente da equação diferencial parcial (EDP)

6 . 2 . T R A B A L H O F U T U RO

governativa do sistema. No teste de sensibilidade aplicado aos elétrodos, destacaram-se quatro elétrodos em específico, dois interdigitais e dois coaxiais, todos eles assinalando variações consideráveis de capacitância. No entanto, o elétrodo coaxial F foi aquele que maior sensibilidade apresentou às alterações da HSP (∆C = −4.161 × 10−10F ). Para além

disso, testou-se o efeito da rugosidade da pele na sensibilidade dos sensores. As simulações demonstraram que a primeira afeta consideravelmente a segunda, podendo haver uma perda de sensibilidade na ordem dos 37%. Finalmente, concluiu-se que nenhum dos quatro elétrodos tem um bom desempenho a detetar variações na constante dielétrica da última camada do modelo da pele, causada pela inserção da esfera de água. No entanto, um dos sensores interdigitais registou uma pequena variação neste teste, 0.483pF .

Em tom de conclusão e respondendo à hipótese preliminar que está na base da presente dissertação, os sensores capacitivos demonstraram que é possível detetar variações na HSP indicativas do processo ulcerativo. No entanto, os resultados dos mesmos são fortemente influenciados por fatores como a rugosidade da pele, como se mostrou numericamente.

6.2

Trabalho futuro

Apesar do trabalho desenvolvido, a presente dissertação representa um pequeno passo no desenvolvimento de um dispositivo capaz de diagnosticar e prevenir o processo ulcerativo. Esta deu início à componente de diagnóstico, através da escolha dos melhores elétrodos para detetar o processo ulcerativo pelas variações na humidade subepidérmica da pele(HSP). Resta, contudo, validar os resultados das simulações com os elétrodos e placa de aquisição desenhada.

Assim, deste trabalho até ao desenvolvimento de um protótipo capaz de desempenhar o mote da tese, sugerem-se os seguintes tópicos, tanto ao nível das simulações como da eletrónica e programa desenvolvido.

6.2.1 Simulações MEF

Apesar das simulações baseadas no MEF se constituírem como o cerne da presente disser- tação existem ainda aspetos que podem ser melhorados, dos quais se destacam:

• Os resultados obtidos encontram-se limitados pelo poder computacional da máquina utilizada. Os 16Gb de memória revelaram-se insuficientes aquando da aplicação de malhas extremamente finas em camadas como o estrato córneo (EC) ou vasos sanguí- neos, devido à sua espessura. Ainda que as análises de convergência aplicadas validem a qualidade dos resultados, seria útil verificar os mesmos com malhas extremamente finas.

• A espessura de cada camada da pele varia com o local anatómico. As dimensões utilizadas são estimativas com base na bibliografia, assim como as propriedades

elétricas. Por exemplo, à segunda camada do modelo, epiderme-derme (ED), atribui- se a constante dielétrica relativa complexa (CDRC) do sangue, que apesar de ser uma boa aproximação da realidade não corresponde à mesma. No futuro faria sentido estudar de que forma a espessura dos tecidos afeta os resultados da simulação. • As geometrias escolhidas para os elétrodos, interdigitais e coaxiais, são as que mais

integram dispositivos capacitivos, independentemente da sua aplicação. Neste sentido, seria interessante estudar os resultados provenientes de outras geometrias na deteção do processo ulcerativo.

• Visto que a CDRC de cada estrato depende da frequência do campo elétrico que o penetra, pode haver frequências mais discriminativas das propriedades elétricas de cada um deles. Isto pode ser vantajoso para detetar variações em cada uma das camadas em específico. Assim a frequência de simulação (ω_exc = 32KHz) foi escolhida com base na placa de aquisição desenhada. No entanto, é importante alargar o espectro de frequências de aquisição.

• Provavelmente não integrará a solução final elétrodos rígidos de FR4. Como demons- trado, os resultados dos mesmos são altamente influenciados pela rugosidade da pele. Assim, no futuro, as simulações deviam ser realizadas com um substrato flexível ao invés do FR4.

• Apesar da investigação realizada na correlação dos parâmetros diretos de identificação de elétrodos com a capacitância, a amostra de elétrodos não é significativa. Agora que o modelo da pele foi desenhado, faz sentido aumentar a população de elétrodos com a finalidade de identificar correlações entre os parâmetros que os identificam e a capacitância dos mesmos.

Apesar das propostas aqui apresentadas o trabalho desenvolvido nas simulações é o mais notável e o foco do presente estudo. Estas fornecem apenas uma aproximação daquilo que é a realidade e os seus resultados são influenciados por diversos fatores discutidos ao longo da tese.

6.2.2 Instrumentação

A instrumentação desenhada é um apêndice às simulações. Esta permitirá validar os resultados das mesmas através de protocolos aplicados in vivo. Previamente, aos testes importa ainda produzir as PCI e desenvolver a programação subjacente à comunicação da placa de testes com o microcontrolador. Para além disso, importa também analisar o impacto da capacitância parasita nas medições. Caso a validação se verifique, deve- se começar a projetar a solução final que poderá passar uma superfície, equipada com os sensores desenvolvidos, que de modo diferencial deteta o aparecimento de UP. Esta provavelmente estará munida com sistemas hidráulicos para movimentar o paciente.

6 . 3 . A P L I C AÇ ÃO N A P R ÁT I C A C L Í N I C A

6.2.3 Programa de aquisição

No que se refere ao programa desenvolvido em JavaScript (JS), com o Electron JS, não se prevê grandes alterações ao mesmo. Este está completamente implementado para a eletrónica desenhada.